Evaluación termo energética del proceso de secado en los secadores 2 y 3 de la Empresa Ernesto Che Guevara

Texto completo

(1)

MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO

“Dr. ANTONIO NÚÑEZ JIMÉNEZ”

FACULTAD DE METALURGIA Y ELECTROMECÁNICA DEPARTAMENTO INGENIERÍA MECÁNICA

EVALUACIÓN TERMO ENERGÉTICA DEL PROCESO DE

EVALUACIÓN TERMO ENERGÉTICA DEL PROCESO DE

EVALUACIÓN TERMO ENERGÉTICA DEL PROCESO DE

EVALUACIÓN TERMO ENERGÉTICA DEL PROCESO DE

SECADO EN LOS SECADORES 2 Y 3 DE LA ECG

SECADO EN LOS SECADORES 2 Y 3 DE LA ECG

SECADO EN LOS SECADORES 2 Y 3 DE LA ECG

SECADO EN LOS SECADORES 2 Y 3 DE LA ECG

TESIS EN OPCIÓN AL TÍTULO DE

Ingeniería Mecánica

Ingeniería Mecánica

Ingeniería Mecánica

Ingeniería Mecánica

Autor: Dennis Durán Cruz

Tutor: Ing. Carlos Zalazar Oliva

Moa – 2015

(2)

DECLARACIÓN DE AUTORIDAD

Yo, Dennis , autor de este trabajo de tesis en opción al título de Ingeniero Mecánico

y los tutores; declaramos la propiedad intelectual de este al servicio del Instituto

Superior Minero Metalúrgico de Moa y de la empresa productora de níquel

“Comandante Ernesto Che Guevara” para que dispongan de su uso cuando estimen

conveniente.

(3)

Dedicatoria

A Dios, por guiar mis pasos.

A mi madre, por guiarme hacia el camino correcto.

(4)

Agradecimiento

Agradezco:

A dios, por darme paz y sabiduría.

A Carlitos, por su apoyo intelectual y por formar parte de mi equipo.

A mi madre, por traerme a la vida.

A mi esposa, por hacer míos sus conocimientos.

A Baby, por demostrar una vez más ser mi madre.

A Jorge, por ser mi motor impulsor en estos años.

(5)

Resumen

Los secadores cilíndricos horizontales rotatorios son muy utilizados en las industrias

del níquel en Cuba, específicamente para el secado de materiales porosos; lo cuales

están sometidos a trabajo intenso con alta variabilidad en sus parámetros de

operación. En el presente trabajo se realiza la evaluación termo - energética del

proceso de secado en los secadores 2 y 3 de Empresa Comandante Ernesto Che

Guevara para determinar la relaciones que hay entre las variables que intervienen en

el proceso (temperatura, humedad, consumo de combustible y flujo de gases de la

combustión) y cómo influyen en el rendimiento térmico

En el mismo se tuvieron en cuenta expresiones teóricas y empíricas relacionadas

con los métodos de balances termo – energéticos, obtenidos a partir de la consulta

realizada en las bibliografías existentes y se estableció el método para el balance

térmico de los secadores analizados.

A partir de mediciones y el análisis de los parámetros de operación, se determinaron

el comportamiento de rendimiento, el consumo de combustible y las pérdidas de

calor en los secadores. Finalmente, se analizó el impacto medioambiental asociado

al proceso de secado y la valoración económica, que muestra un costo por consumo

de combustible de 5102.574 CUC/h, en el período que se ha evaluado. Se analizó el

(6)

Summary

The rotational horizontal cylindrical dryers are very used in the industries of the nickel

in Cuba, specifically for the drying of porous materials; which are subjected to intense

work with high variability in their operation parameters. Presently work is carried out

the thermos energetics evaluation of the drying process in the dryers 2 and 3 of

Company Ernesto Che Guevara to determine the relationships that there are among

the variables that intervene in the process (temperature, humidity, consumption of

fuel and flow of gases of the combustion) and how they influence in the thermal yield

In this work were kept in mind theoretical and empiric expressions related with the

methods of thermo–energetics balances, obtained starting from the consultation

carried out in the existent bibliographies and the method settled down for the thermal

balance of the analyzed dryers.

Starting from mensurations and the analysis of the operation parameters, the yield

behavior, the consumption of fuel and the losses of heat were determined in the

dryers. Finally, it was analyzed the environmental impact associated to the drying

process and the economic valuation that it shows a cost for consumption of fuel of

5102.574 CUC/h, in the period that has been evaluated. The impact was analyzed

(7)

Tabla de contenido

INTRODUCCIÓN ... 1

CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO DEL PROCESO DE SECADO EN HORNOS CILÍNDRICOS ROTATORIOS ... 6

1.1- Introducción ... 6

1.2- Estado del arte y trabajos precedentes ... 6

1.3- Principios técnicos del secado ... 10

1.4- Clasificación de las operaciones de secado. ... 12

1.5- Partes fundamentales del secador ... 13

1.6- Estructura interna de los secaderos ... 16

1.7- Procesos de trasferencia de calor en secadores cilíndricos ... 17

1.8- Descripción del flujo tecnológico de la planta de preparación de mineral ... 18

1.9- Sistema de limpieza de los gases de secaderos ... 23

1.10- Conclusiones del capítulo Ι ... 24

CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS PARA EL BALANCE TERMOENERGÉTICO DEL PROCESO DE SECADO EN HORNOS CILINDRICOS ROTATORIOS. ... 25

2.1- Introducción ... 25

2.2- Análisis del sistema de secado ... 27

2.3- Balance de masa y energía ... 27

2.3-1. Cálculo de los volúmenes de la combustión ... 31

2.4- Cálculo de las pérdidas por transferencia de calor en la cámara de combustión. ... 35

2.5- Cálculo de las pérdidas por transferencia de calor en el tambor del secador……….38

(8)

2.7- Conclusiones del capítulo 2 ... 40

Capítulo 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LA APLICACIÓN DEL MÉTODO DE BALANCE TÉRMICO Y DE MASA EN EL SECADOR ... 40

3.1- Introducción ... 41

3.2- Principales parámetros medidos en la instalación ... 41

3.3- Principales resultados del cálculo ... 42

3.4- Análisis de las mediciones y los resultados del cálculo ... 43

3.4-1. Consumo y consumo específico de combustible ... 44

3.4-2. Análisis del rendimiento térmico ... 46

3.4-3. Pérdidas de calor ... 47

3.5- Valoración económica asociada el proceso de secado convencional ……….49

3.6- Principales problemas ambientales detectados en la planta ... 50

3.6-1. Influencia del polvo en el medio ambiente ... 51

3.6-2. Influencia del ruido en el medio ambiente ... 53

3.6-3. Medidas para la protección del medio ambiente durante el secado del mineral ……….54

3.7- Conclusiones del capítulo ... 55

Conclusiones Generales ... 56

Recomendaciones ... 57

Bibliografía ... 58

(9)

1

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

INTRODUCCIÓN

El níquel, por sus aplicaciones y uso, es uno de los metales más codiciados y

vendidos en el mercado internacional, pero su obtención es un proceso complejo en

el que se necesitan grandes recursos y gastos. En Cuba existen dos fábricas en

funcionamiento para la obtención de concentrado de níquel más cobalto: la Empresa

“Comandante Ernesto Che Guevara” (ECG), y la Empresa Mixta “Cuba níquel SA”.

La primera se ha desarrollado ampliamente, a partir de la década pasada, lo cual se

refleja en los índices de producción logrados en ella, que sin lugar a dudas han

contribuido exitosamente a la reanimación de nuestra economía, dando valiosos

aportes económicos en aras del desarrollo social(Góngora,2008).

Para la obtención del este mineral en la ECG se emplea una tecnología basada en el

proceso de lixiviación carbonato – amoniacal, o proceso CARON, según el cual el

mineral oxidado de níquel es reducido selectivamente. Esta tecnología comienza

con la extracción del mineral en las minas a cielo abierto de los yacimientos de níquel

de Punta Gorda, incorporándose al flujo tecnológico, por la planta de secaderos y

molinos. Desde ese momento, el material circula por las diferentes plantas del

proceso entre las que se encuentran: la planta de hornos de reducción, la planta de

lixiviación y lavado y la planta de calcinación y sinter, donde culmina el proceso

CARON con la obtención del sinter de níquel más cobalto.

Esta tecnología, ha estado puesta en práctica durante muchos años en nuestro país.

El proceso de lixiviación carbonato – amoniacal se caracteriza por ser un proceso

donde el equipamiento tecnológico utilizado se distingue por su sencillez y la

utilización de equipos conocidos (hornos de soleras múltiples, espesadores,

columnas de destilación, etc.) lo que favorece la creación de una producción con alto

nivel de mecanización y automatización. El esquema amoniacal admite la

(10)

2

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

el esquema de lixiviación ácida permite solamente la elaboración de la fracción

limonítica.

Al mismo tiempo este proceso CARON se realiza con un consumo de reactivos

relativamente pequeño. El único que se utiliza en cantidades grandes es el

amoniaco, su consumo es necesario solo para compensar las pérdidas mecánicas.

Dentro de los procesos de obtención del mineral, la planta de preparación de mineral

juega un rol importante en el proceso productivo, ya que este proceso disminuye la

humedad contenida en las minas lateritas por lo que contribuye a la disminución de

consumo de los portadores energéticos y el incremento de la eficiencia en los hornos

de reducción. Por la función que desempeñan los secadores de la referida empresa,

estos han sido objeto de estudio de diversas investigaciones (Torres, 1999; Torres et

al., 2000; Bachir, 2001). Estos autores analizan el comportamiento del arrastre de

partículas finas en los gases durante el secado del mineral laterítico en uno de los

equipos en condiciones normales de operación y en otro, eliminaron los levantadores

sectoriales en el último tercio del equipo y analizaron en ambos la influencia de los

gases residuales provenientes de la planta hornos de reducción; luego obtienen la

correlación entre la velocidad de los gases en el interior del cilindro, el contenido de

humedad de los gases y el arrastre de partículas como variable de salida.

Posteriormente Torres et al. (2003) determina la influencia que tiene la humedad de

equilibrio, la constante de secado y el coeficiente de transferencia de masa, en el

secado del mineral obteniendo la correlación y regresión de las variables antes

mencionadas en función de la temperatura y el contenido de humedad de las minas.

Por su parte, Aldana et al. (2004) analiza los problemas que limitan la productividad

de los secaderos en la empresa, demostrando que la limitante fundamental es el

aporte de calor y que se puede elevar la productividad a través del incremento del

coeficiente de utilización de los secaderos. Delgado (2013) realizó la evaluación

termoenergética del proceso de secado de mineral laterítico en los secadores

cilíndricos horizontales rotatorios en la ECG, mediante el método de balance térmico

(11)

3

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

Como se aprecia, las investigaciones antes referenciadas abordan aspectos

importantes del proceso de secado, pero no se tienen en cuenta las pérdidas de calor

en los secaderos al medioambiente.

Situación problémica:

1. El índice de consumo de combustible diesel por toneladas producidas está por

encima de los valores establecidos.

2. Pérdida de flujo de gases de la combustión debido al mal estado técnico de la

cámara.

3. Temperatura a la salida del secador cilíndrico horizontal rotatorio por debajo del

rango establecido.

A partir de las deficiencias expresadas se declara como problema:

La baja eficiencia termo energética del proceso de secado en los secadores 2 y 3 de

la empresa Comandante Ernesto Che Guevara.

Objeto de estudio: Los secadores de mineral 2 y 3 de la empresa Comandante

Ernesto Che Guevara.

Sobre la base del problema a resolver se establece la siguiente hipótesis científica:

A través del balance de masa y energía del objeto de estudio, se podrá evaluar el

comportamiento de las principales variables que intervienen en el proceso de secado

(temperatura, flujo, tiempo de permanencia y variación de la humedad) en la ECG y

determinar cuáles son las mayores pérdidas en la instalación y las acciones a

desarrollar para mejorar la eficiencia del proceso.

En correspondencia con la hipótesis planteada, se define como objetivo del trabajo:

Evaluación termo energética del proceso de secado en los secadores 2 y 3 de la

(12)

4

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

Como objetivos específicos se establecen:

Establecer las características fundamentales del método de balance térmico y la

determinación de las pérdidas de calor.

Evaluar el comportamiento de los parámetros fundamentales del proceso de

secado y su influencia en los indicadores de eficiencia.

Para dar cumplimiento a los objetivos se desarrollan las siguientes tareas del

trabajo:

Establecimiento del estado del arte relacionado con el proceso de secado en

cilindros horizontales rotatorios y los métodos de balance térmico y de masa

existentes.

Proposición del método de balance térmico y de masa y sus particularidades en

el secado del mineral laterítico en la empresa “Comandante Ernesto Che

Guevara”.

Identificación de los principales parámetros que influyen en los valores de

eficiencia del proceso de secado del mineral laterítico y el sistema de medición

empleado.

Establecimiento de los gráficos de comportamiento de los principales

parámetros que influyen en los indicadores de eficiencia del proceso de secado.

Valoración de los impactos económicos y ambientales del proceso en las

condiciones de explotación, en la empresa “Comandante Ernesto Che

Guevara”.

Los métodos de investigación empleados en el trabajo se exponen a continuación:

Histórico-lógico: para la actualización del estado del arte relacionado con las

teorías de secado actualmente usadas para describir el proceso de secado de

(13)

5

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

Sistémico: para la sistematización de la teoría básica de los procesos de

secado que resulta de interés para la evaluación termoenergética del objeto de

estudio.

Inductivo-deductivo: para la determinación de las limitaciones de las

(14)

6

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO DEL PROCESO DE SECADO EN HORNOS CILÍNDRICOS ROTATORIOS

1.1 Introducción

El secado, desde el punto de vista industrial, es un proceso de transferencia de calor

y de masa no isotérmico que implica la extracción del líquido que lo meja obteniendo

un producto diferente al inicial, ya sea como producto final o como intermedio en un

proceso de fabricación dado.

En la empresa Comandante Ernesto Che Guevara, el secado juega un papel

determinante, debido a que en este proceso se consume el 23% de la energía total

consumida en la entidad, es por ello, que la reducción del consumo de portadores

energéticos y la optimización de sus procesos, inciden considerablemente en la

eficiencia de los diferentes equipos e instalaciones que la componen. En este sentido

el objetivo del capítulo es:

Establecer los fundamentos teóricos relacionados con el objeto de estudio que

permitan el análisis de los requisitos para la solución de la problémica

planteada.

1.1- Estado del arte y trabajos precedentes.

El secado es, sin dudas, uno de los procesos más antiguos conocidos por el hombre,

y aparece en muchas de las manipulaciones a las que es sometido un producto a lo

largo de sus fases de elaboración. Son muchos los campos donde se hace necesario

este proceso y existen varias razones para disminuir la humedad de un producto,

(Castaño et al., 2009).

El aire contiene y puede absorber vapor de agua. La cantidad que se puede absorber

depende, considerablemente de su temperatura, aunque también puede existir la

absorción de agua a temperatura constante (Faires, 1991; Fernández, 1994). A

medida que el aire se calienta, su humedad relativa decrece y por tanto, la absorción

(15)

7

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

Papadakis et al. (1994), estimó el coeficiente de transferencia de calor pelicular

usando las relaciones propuestas por Langrish et al. (1988), sus aproximaciones son

básicamente las mismas pero realiza gran cantidad de experimentos para eliminar

las debilidades del método. Thorpe, G.R. (1972), en su tesis doctoral dividió el

cilindro del secadero en etapas y aplicó las ecuaciones de balance de masas y

energía a cada una de esas etapas.

Novoa et al. (1995), obtuvo ecuaciones empíricas que describen el comportamiento

de la cinética del secado de zeolita a escala de laboratorio, siguiendo el modelo

propuesto por Hall (1983), estableció además, los valores de humedad de equilibrio

para diferentes temperaturas y humedad inicial; finalmente con los resultados

alcanzados realizó un software para simular el proceso y predecir su comportamiento

bajo determinadas condiciones de operación.

Chang (1997), en el libro de texto Cálculo de los principales procesos en los Hornos

Metalúrgicos estudia la aplicación de la teoría de los procesos: tecnológicos,

aerodinámicos, mecánicos, transmisión de calor y energéticos en los cálculos y

proyecto de los hornos metalúrgicos, incluyendo sus instalaciones auxiliares.

A través de los balances térmicos y de masa en secaderos de mineral (Castillo,

2007; Mora, 1999) obtienen los índices de consumo energéticos de dichas

instalaciones, evaluando así la incidencia de la humedad en el consumo de

combustible y el comportamiento de los diferentes parámetros al aumentar el flujo de

mineral húmedo a la entrada del secadero.

Según Madariaga (1995), el intercambio de calor y masa depende de una serie de

factores que van desde condiciones internas a las externas. Independientemente del

mecanismo de transmisión de calor, este tiene que pasar primero a la superficie

exterior y desde esta, al interior del sólido. Excepto el secado por electricidad de alta

frecuencia, el calor generado se conduce a la circulación de calor desde el interior

hasta la superficie exterior (Treybal, 1985; Perry, 1997; Menon et al., 1992). En el

(16)

8

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

el líquido de su superficie se vaporiza y difunde en el gas. En este caso, el agente de

secado cumple dos funciones: suministrar calor al material húmedo y transportar el

vapor de agua desprendido (Kern, 1969; Isachenko et al., 1979).

Los primeros trabajos en los que se obtuvo un modelo matemático de un secadero

rotatorio, corresponden a (Myklestad, 1963), quien desarrolló el modelo estático de

un secadero a contracorriente. Sharples, et al. (1964), estableció un modelo con

cuatro ecuaciones diferenciales que describen los procesos de diferencia de masa y

energía. Reay (1979), propuso un modelo para el sólido y otro para la instalación, de

forma independiente. Baker (1988), abordó los modelos de transferencia de calor y

masa para secadores rotatorios en cascada.

Douglas et al. (1992), propuso un modelo que divide el cilindro en varias secciones,

asumiendo un grupo de parámetros fijos para cada sección, a la que impone

ecuaciones de equilibrio.

Fitt (1996), afirma que muchos modelos matemáticos de procesos industriales

pueden ser descritos como sistemas n x n de leyes de conservación en términos de n

variables independientes.

Mostrando un simulador de secaderos rotatorios con cuatro submodelos: modelo de

combustión, modelo de transporte, modelo del gas y modelo del sólido, se

encontraron los trabajos de Duchense et al., (1997). Fulford (1969) y Boizán (1991),

proporcionan varios modelos matemáticos tomados de la literatura rusa para

describir la cinética del secado.

Philip et al. (1957), estudió las fuerzas capilares que causan el transporte del líquido,

en términos de gradientes del contenido de humedad y temperatura resultantes en

una ecuación de difusión.

Chiappero (2001), presenta el cálculo y la simulación de un silo secador de granos

(17)

9

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

simulación numérica de la distribución de presiones y de las velocidades

intragranulares para trigo, a través del método de elementos finitos.

A la caracterización y actualización del potencial de secado en el país, a partir del

conocimiento y clasificación de los diferentes tipos de secadores, se dedican algunos

trabajos (Bérriz, 2002; Bérriz, 2003), en ellos el autor proporciona con precisión los

datos necesarios para el diseño, evaluación y selección de prototipos de secadores,

tanto a escala experimental como industrial.

Se puede destacar la propuesta para la implementación de un secador de granos

tipo tambor (Torres et al., 2001) por el Centro de Investigaciones de Energía Solar

(CIES) en la ciudad de Santiago de Cuba, que establece una alternativa del secado

solar para la disminución del tiempo de secado y la protección del producto de las

condiciones climatológicas.

De acuerdo con los análisis realizados al proceso, la experiencia acumulada por los

obreros de la planta de preparación de mineral y los trabajos precedentes (Santos,

2005; Romero, 2006; Ramírez, 2006), se puede afirmar que la humedad final del

mineral laterítico depende fundamentalmente de los siguientes parámetros:

- Humedad inicial del mineral

- Temperatura del medio ambiente

- Humedad relativa

- Intensidad de la radiación solar

- Velocidad y dirección del viento

- Temperatura del punto de rocío

- Precipitaciones

- Masa de mineral a secar

- Propiedades físicas del mineral

- Superficie de contacto

- Superficie horizontal disponible

- Tiempo de secado

El trabajo investigativo realizado por Domínguez (2011), es el estudio más integrador

desde el punto de vista de balances térmicos y de masa en secadores en Cuba, este

trabajo está relacionado con el secado de carbón antracita en este tipo de equipos.

(18)

10

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

estima el índice de consumo de combustible y los principales parámetros que

influyen en él.

1.2- Principios técnicos del secado.

Por su esencia física, el proceso de secado es complicado, su velocidad se define

por la velocidad de difusión de la humedad desde el interior del material a secar,

hacia el medio ambiente. La deshidratación por secado se reduce a la transferencia

de calor y de sustancia (humedad) desde dentro del material a la superficie y su

transporte, desde la misma al medio ambiente. Así pues, el secado es la

combinación de los procesos de intercambio de calor y transferencia de masa

vinculados uno con el otro.

El proceso de secado, no es solamente un proceso termo físico, sino que tiene

características tecnológicas, en el que juega un papel principal la forma en que se

encuentra la humedad en el material, lo que es fundamental en la determinación de

cómo ocurre el proceso de secado. Hay que tener en cuenta que es un proceso

tecnológico en el cual las características estructurales, tecnológicas, bioquímica de

los materiales, poseen una importancia primordial, por eso la teoría de secado no es

solamente la evaporación de la humedad contenida en el sólido, sino el estudio de

las formas de enlace que posee la humedad en los materiales

De acuerdo con Boizán (1991), una de las formas más eficientes de describir el

proceso de secado, es mediante las curvas de velocidad de secado contra humedad

promedio en un sistema de coordenadas (du/dτ) = f (u). En la figura 1.1 se

representan de forma general las etapas de secado por los que transita un sólido.

El tramo AB corresponde al periodo de calentamiento. En esta la temperatura del

material se eleva hasta la temperatura de bulbo húmedo y su humedad desciende.

(19)

11

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

El periodo de velocidad de secado constante corresponde a la recta BC. En esta

etapa tiene lugar una intensa evaporación de la humedad libre. La velocidad del

proceso es máxima y depende fundamentalmente de la resistencia externa a la

difusión y en menor cuantía, de la resistencia interior del sólido a la difusión.

du dt

Up Ukp U U

A B

C

D

1 2 3

4 5

Figura 1.1. Curva de velocidad de secado (Fuente: Boizán,

1991).

El periodo de velocidad de secado decreciente, según sea el caso, puede describirse

con una de las curvas (1, 2, 3, 4 ó 5) que van desde C hasta D. Este comportamiento

permite concluir que la proposición realizada por Lykov (1968), de llamar a esta

etapa periodo de temperatura constante, no es satisfactoria. Es más acertado

llamarlo periodo de velocidad de secado constante, ya que se cumple para cualquier

material.

En muchas industrias se utiliza el proceso de secado por las siguientes causas:

1. Facilitar el manejo de los productos finales.

2. Facilitar el empleo satisfactorio de los mismos.

3. Conservar estos productos durante su almacenamiento y transporte.

(20)

12

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

1.3- Clasificación de las operaciones de secado.

Las operaciones de secado se pueden clasificar en discontinuas y continuas. Se

aplican estos términos específicamente desde el punto de vista de la sustancia a

secar. La operación secado discontinuo en la práctica se refiere generalmente a un

proceso semicontinuo, en el que se expone una cierta cantidad de sustancia a secar

a una corriente de aire que fluye continuamente, en la que se evapora la humedad.

En las operaciones continuas pasan continuamente a través del equipo, tanto la

sustancia a secar, como el agente secador. Generalmente, no se emplean los típicos

métodos en etapas, implicando todas las operaciones un contacto continuo del gas y

de la sustancia a secar.

Los equipos utilizados para el secado se pueden clasificar de acuerdo con cualquiera

de las siguientes categorías.

Método de operación, o sea, discontinuo o continuo: Los equipos discontinuos o

semicontinuos, se operan en forma intermitente o cíclica bajo condiciones de

estacionario: se carga el secadero con la sustancia, la que permanece en el equipo

hasta que se seca, momento en el que se vacía el equipo y se carga con nuevo

material.

Método de proporcionar el calor necesario para la evaporación de la humedad: en

secadores directos, se suministra el calor completamente por contacto directo de la

sustancia con el gas caliente en el que tiene lugar la evaporación. En secadores

indirectos, se suministra el calor en forma independiente del gas para arrastrar la

humedad que se evapora.

Naturaleza de la sustancia a secar: puede ser la sustancia un sólido rígido tal como

la madera, un material flexible como la tela o papel, un sólido granular tal como una

masa de cristal, una pasta espesa o delgada, o una solución. Es probable que las

(21)

13

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

manipulación empleados, ejerzan la influencia más grande en la selección del tipo de

secador a utilizar.

Tamayo (2004), hace una clasificación de los procedimientos de suministro del calor

hacia el material a secar, quedando de la siguiente forma:

Secado por convección: Contacto directo del material con el agente secador, en calidad de la cual ordinariamente se emplea aire calentado o gases de

combustión (como regla mezclados con aire)

Secado por contacto: Transmisión del calor desde el calor portador hacia el material a través de una pared que los separa.

Secado por radiación: Transmisión del calor por rayos infrarrojos.

Secado dieléctrico: Calentamiento mediante un campo de corriente eléctrica de alta frecuencia.

Secado por sublimación: Secado en estado de congelación al vacío profundo, según el método de transmisión del calor, este procedimiento es análogo al

secado por contacto, pero debido a sus peculiaridades, el secado por sublimación

se destaca como un grupo especial.

1.4- Partes fundamentales del secador.

Para hacer viable económicamente el tratamiento de secado de algunos sólidos, es

necesario trabajar en proceso continuo y alcanzar grandes flujos de evaporación. En

los secaderos rotatorios, esto se consigue mediante tres actuaciones combinadas: la

primera se basa en incrementar la temperatura (aportando energía al proceso con

gas de combustión); la segunda consiste en renovar el gas en contacto con el sólido

mediante una corriente forzada del gas caliente; y la tercera, favorecer el contacto

sólido-gas mediante el volteo del material.

Teniendo presente lo anterior, en una instalación industrial de secado de sólido

mediante cilindro rotatorio, se pueden distinguir tres partes fundamentales: zona de

(22)

14

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

Zona de combustión.

Tiene como fin generar el calor suficiente para elevar la temperatura de la corriente

de gas que se usará en el proceso.

La temperatura elevada se consigue quemando combustible en una cámara de

combustión. Existen distintos tipos de cámaras en función del combustible utilizado,

una de las más extendidas es la que usa combustible en estado gaseoso (gas

natural u otro), estas reciben el nombre de quemadores.

Los quemadores presentan ciertas ventajas, entre las que se pueden citar:

• La posibilidad de realizar un control preciso de la temperatura y flujos generados al disponer de electroválvulas para dosificar el gas aportado.

• Presentan respuestas rápidas, no sólo en las operaciones de funcionamiento, sino también en las maniobras de arranque y parada.

• Ocupan poco espacio.

Cilindro.

En esta zona circula el material húmedo, así como el gas caliente procedente de la

zona de combustión. En el cilindro es donde se produce el proceso de secado. El

material húmedo se introduce por el extremo del mismo y avanza por él debido a la

rotación, saliendo seco por el otro extremo. Además, este elemento es el

responsable de mover y voltear el material dentro de la corriente gaseosa, lo que

facilita el contacto sólido-gas, y permite un proceso de evaporación más eficiente.

El tambor secador posee un sistema motriz, acoplado al cuerpo de éste, que le

permite rotar alrededor de su eje. El mismo se apoya exteriormente en dos llantas

que posee sobre dos pares de rodillo. Internamente el secadero está formado, cerca

de la cámara de combustión, por unas guías o deflectores soldados al cuerpo del

(23)

15

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

En esta parte cilíndrica existen levantadores de mineral, estos están soldados al

cuerpo del tambor y son los encargados de permitir la transferencia de calor entre el

gas caliente y el mineral y con ello, el proceso de secado.

Estos levantadores dividen al tambor en 6 partes, lo que favorece el proceso de

secado porque:

• Permite que la carga alimentada al tambor sea repartida uniformemente en el interior del mismo.

• Evita sobrecargar un levantador más que otros, provocando la formación de cortinas de mineral uniformes durante la caída del mismo, debido a la rotación del

tambor.

• Posibilita un mayor contacto entre los gases calientes, el mineral y una mayor evaporación de la humedad que trae el mineral.

• Permite que el motor trabaje más establemente y se requiera de menor potencia para mover el secadero, debido a la uniformidad de la carga.

En la construcción de las instalaciones internas de los secadores cilíndricos se tiene

en cuenta el grosor, la densidad y las propiedades de dispersión del material

sometido al secado, además de garantizar la distribución uniforme de este en la

sección transversal del cilindro.

Zona de salida.

En esta zona es donde se recoge el sólido seco por una parte, y por otra, se expulsa

gas húmedo. A la salida del cilindro, el material sólido se puede recoger en una cinta

transportadora y los gases pasan a unos ciclones que eliminan el polvo que pudiera

llegar en suspensión. Por último, en la chimenea de salida existe un ventilador que

es el principal responsable de generar la corriente de gas que atraviesa el cilindro

(24)

16

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

1.5- Estructura interna de los secaderos.

En el interior del cilindro se colocan elementos encargados de suspender el material

y dejarlo caer en forma de cortinas uniformes, durante este recorrido es donde se

produce el secado con mayor efectividad. Los gases calientes se ponen en contacto

con la superficie de las partículas que caen, una parte se queda en el fondo del

cilindro y es sometido a otro procedimiento de intercambio térmico y el resto se

esparce en forma de torrentes, el número de torrentes que se forma en el cilindro

secador depende del número y forma de las paletas

En la construcción de las instalaciones internas de los secadores cilíndricos se tiene

en cuenta el grosor, la densidad y las propiedades de dispersión del material

sometido al secado, además de garantizar la distribución uniforme de este en la

sección transversal del cilindro.

Equipos interiores.

La magnitud del intercambio de calor y de masa en un tambor de secado o

enfriamiento depende en gran manera de la elección del equipo interior. Se adaptará

uno u otro tipo de entramado, según la reología del producto (que suele variar a lo

largo del proceso térmico), de modo que se consiga un reparto de producto sobre la

sección del tambor lo más homogéneo posible y, a la vez, un grado de llenado

máximo. Se tenderá a dar preferencia a aquellos sistemas, que ofrezcan un óptimo

de superficies de intercambio entre gas y producto, sin que por ello se incurra en

peligro de taponamientos o aglomeraciones.

Palas en hélice de introducción: garantizan la introducción y reparto del producto

sobre la sección del tambor y evitan efectos de retención en la alimentación.

Bandejas periféricas: equipo de elevación que provoca una densa cortina de

(25)

17

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

altas temperaturas una evaporación repentina con brusca caída de temperatura de

gases.

Bandejas en cruz: es el entramado más denso de todos los posibles equipos

interiores. Ofrece la máxima superficie activa, tanto para el intercambio de calor

convectivo entre gas y producto, como también entre bandeja caliente y producto,

debido al incesante cambio de las capas en contacto.

1.6- Procesos de trasferencia de calor en secadores cilíndricos.

Los procesos de trasferencia de calor en un horno rotatorio o secadores, son únicos

comparados con otros hornos, porque en él no solo se involucra el gas y la cama

superior del sólido, sino también la pared del horno que está en movimiento

(girando). En la Figura 1-2 se muestran los procesos de trasferencia de calor en un

horno cilíndrico o secador.

Figura 1.2. Corte trasversal de un secador

El calor suministrado al material para secar, se transfiere por dos vías: por la

superficie expuesta de sólido (el flujo de los gases) y la superficie que está en

contacto con la pared del horno. Los mecanismos del traslado de calor a las dos

superficies del sólido, ocurren de la siguiente manera: La superficie de la cama sólida

expuesta recibe el calor directamente por la radiación y convección de los gases

(26)

18

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

está en contacto con ella (Q WS ). Este último intercambio de calor es parte del

traslado de calor regenerador de la pared del horno. Durante la rotación, la pared

recibe la energía térmica por la radiación y la convección del gas de la combustión

caliente (Q GW). Una parte de esta energía se guarda en la pared del horno y se

trasfiere al sólido (HW).

Debido a los rangos de temperatura que se obtienen del gas, se considera que la

radiación es el traslado de calor dominante (Gorog 198)]. La otra parte del calor que

se irradia a la pared, se refleja exclusivamente tras la cama sólida (Q WS- G). Por otro

lado, parte de la energía suministrada se trasfiere por conducción de la pared interior

al exterior y trasferida al medio por convección y radiación (QL), estas se pueden

considerar como pérdidas, porque son indeseadas en el proceso.

1.7- Descripción del flujo tecnológico de la planta de preparación de mineral

En la planta de preparación de mineral es donde se inicia el proceso de preparación

del material de la fábrica, según la tecnología carbonato amoniacal.

El mineral procedente de la planta de trituración primaria puede ser suministrado por

dos vías:

a) A través de grúas gantry.

b) Directamente por los transportadores de enlace (No.14) ó (15).

Una vez descargado en galería, es remontado y alimentado por las grúas gantry

(215-GR-5, A, B, C). Estas remontan el mineral y lo homogenizan en el depósito

exterior que posee una capacidad de 360 000 toneladas húmedas, o 28 días de

trabajo de la planta.

Estas grúas poseen dos capacidades de trabajo que son: 660 t/h al remontar y 690

(27)

19

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

El mineral suministrado por las grúas o el transportador No. 14 ó 15, es descargado

en los transportadores 215 TR-5, 5A y 215 –TR6, 6ª, cuyas capacidades son de 750

t/h cada uno.

El paso del mineral desde las grúas hacia los transportadores 5 y 5A, 6 y 6ª, se

realiza a través de un alimentador que se mueve solidario con las grúas 215- AL –2

A, B, C y que posee para este trabajo (de alimentación) un transportador 215-TR- 8

AB, C y de capacidad: 750 t/h.

Los transportadores 5 y 5A, 6 y 6A alimentan a los transportadores 215 TR-7 y 7A,

los que se encargan de llevar el mineral homogeneizado hasta el edificio de los

secaderos. La capacidad de estas correas es de 750 t/h y todo su contenido lo

vierten sobre los transportadores 215-TR8 y 8A que tienen como función la de

alimentar a los secaderos y al depósito de mineral interior o de emergencia.

La alimentación a los secaderos se realiza a través de unos desviadores que se

encuentran justamente sobre las tolvas de los secaderos. La alimentación al depósito

interior se realiza de la misma forma, o sea, mediante desviadores de mineral que se

encuentran situados sobre tres correas colocadas entre los secaderos 2 y 3, 4 y 5 y

al final del edificio. Estos transportadores 215- TR-10-1,10-2,10-3 poseen capacidad

de 750t/h.

El mineral almacenado en el depósito interior se usará cuando, por cualquier tipo de

avería surgida en el proceso antes de los secaderos, se interrumpa el suministro de

la materia prima a esta sección. La capacidad de este almacén posibilita a la planta

trabajar durante 4 días.

Este depósito posee para la manipulación del material, 2 grúas de puente 215-

GRL-101 A y B de capacidad igual a 350 t/h cada una. El mineral llegará a los secaderos

215-SC-101-107 pasando a través de alimentadores de esteras 215-AL-101--107 de

capacidad variable y los transportadores de bandas 215-TR-9-1… 9-7 de

(28)

20

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

4 800 mm y un diámetro de 4 500 mm. El mineral, al entrar al secadero, lo hará con

una humedad aproximadamente igual a 38 % y saldrá del mismo con 4.5 %, según

está establecido.

Para lograr esto, cada secadero posee una cámara de combustión 21-CC-101-107

dotada de un quemador de petróleo. Se suministra aire de combustión, aire de

pulverización, aire secundario o gases procedentes de la planta de hornos.

Los gases combustionados dentro de la cámara alcanzan una temperatura de 1500

°C y bajan hasta 800-850 °C al ponerse en contacto con el aire, el exceso que se suministra sirve para aumentar el volumen de gases necesarios para secar el

mineral.

Con esta última temperatura es con la que entran los gases al tambor secador, que

se realiza en dirección a corriente con el mineral alimentado de forma que, ese

contacto gases calientes – mineral permite que este último se vaya secando y se

obtenga al final un producto con las características adecuadas. Los gases, al salir del

secadero, tendrán una temperatura de 80-100 oC.

Los gases calientes pueden atravesar el secadero debido a la succión que crea un

ventilador 215-VE-108 - 114, de tiro situado a la salida del electrofiltro que posee

cada secadero individualmente.

Además, estos gases son capaces de arrastrar con ellos el 36 % del polvo, que entra

con el mineral o que se forma durante el proceso de secado y que, por lo general,

poseen una granulometría (-0,074) mm, el que será introducido al sistema de

colección.

El mineral, después de secado, pasa a un proceso de clasificación que se produce

en el extremo de descarga del mismo horno de tambor a través de un trómel con

(29)

21

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

dos productos por separado, uno fino (-10 mm) que se descarga en las correas

215-TR-11 y otro grueso (+10 mm), que se descarga a la correa 215-215-TR-11A.

Estas correas son denominadas comúnmente correas calientes, debido a que son las

primeras que hacen contacto con el mineral que sale de los secaderos. La capacidad

es de 490 t/h. En estas correas se encuentran instaladas las romanas encargadas

del pesaje del mineral seco.

El mineral seco con granulometría fina (-10 mm) es llevado desde la correa

215-TR11 hasta la correa 215-TR12, que es la vía de unión entre los secaderos y los

molinos. Esta correa transportadora posee una capacidad de 490 t/h y descarga su

contenido en 4 tolvas (una para cada molino) 215-TV-201.204, mediante desviadores

de mineral colocados sobre las correas y justamente sobre las mencionadas tolvas.

Sobre esta correa se encuentra montado un sistema de adición de petróleo aditivo en

forma de ducha, que se mezclará conjuntamente con el mineral de forma dosificada

mediante un sistema automático que regulará la relación petróleo – mineral, instalada

en la misma área, siendo utilizado como agente reductor en la planta de hornos de

reducción. Desde cada tolva, el mineral llegará a los molinos en forma dosificada y

este trabajo corresponde hacerlo a los alimentadores de disco 215 AL 201 A y B

215 AL 204 A y B, que posee cada tolva y que pueden entregar 55-120 ton/h a las

correas 215-TR -13-1...13-4, las que descargan el mineral en el molino de bolas 215

ML-201... 204, la capacidad de esta correa es de 160 t/h. De esta forma el mineral

llega al molino de bolas, cuya capacidad es de 120 t/h y tiene como dimensiones 5

700 mm de longitud y 3 200 mm de diámetro.

Estos molinos son de forma cilíndrica y para su proceso de molienda fina poseen una

carga de bolas, cuyo peso es de 54 toneladas, siendo sus dimensiones (de las

bolas.)

100 mm - 10 % 5.5 toneladas (5 500 kg)

(30)

22

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

60 mm - 15 % 8.0 toneladas (8 000 kg)

40 mm - 25 % 13.5 toneladas (13 500 kg)

32 mm - 40 % 21.5 toneladas (21 500 kg)

54 toneladas (54 000 kg)

El producto que el molino debe entregar tendrá una humedad de 4,5 - 5,5 % y una

granulometría de 85 - 87 % de - 0,074 mm.

Todo lo que entra al molino saldrá del mismo mediante barrido con aire, que es

producido por un ventilador de recirculación 215-VE-205.208 de 134 000 m3/h de

capacidad, situado a la descarga del molino y cerrando un circuito que está formado

por el molino, 1 separador 215 - SE-201… 204, 4 ciclones 215-CN-201… 104 A ,B,

C ,D y 2 baterías de 6 ciclones 215-CN-205.210 A, B, C, D, E, F. Con este

ventilador se barre el mineral molido y se succiona, este doble efecto propicia la

obtención del mineral molido.

El mineral barrido y succionado es introducido en un separador neumático de

diámetro 4 250 mm donde sufre una clasificación de forma, el que tenga

características de producto final pasará al sistema de colección primaria (a los

ciclones) y el que no posea estas características, transitará al molino (constituyendo

el rechazo) para su ulterior tratamiento hasta que alcance la granulometría

adecuada.

Este equipo puede realizar este trabajo a merced de dampers que posee y que son

regulados para obtener la granulometría del mineral que se quiera.

El sistema de colección primaria formada por ciclones, se encarga de recoger el

polvo producido y lo descarga en las tolvas de producto final 215-TV-205 A y B. Lo

que no se recoge y que es, por lo general, un mineral con granulometría -0,044 mm

pasará por un sistema de limpieza de gases electrostáticos o electrofiltros, donde se

(31)

23

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

De igual forma, todo el polvo recogido es enviado hacia las tolvas de producto final

mediante el empleo de bombas en vacío 215-BO-201 A, B, C, D, E y F de 50 t/h de

capacidad, todo el mineral molido es transportado hacia los silos de mineral del taller

de hornos de reducción mediante el empleo de bombas neumáticas 215 –

BO-107…112, colocadas en la descarga de las tolvas.

El mineral seco con granulometría gruesa (+10 mm), es llevado desde la correa

215-TR11A hasta la 215-TR12A, que es la vía de unión entre los secaderos y la zaranda

de control 215-ZA-301. Esta correa transportadora posee una capacidad de 490 t/h y

descarga su contenido en la zaranda 215-ZA-301 ( con malla de 10 mm) con

capacidad de 120 t/h, donde se produce la clasificación de control del mineral grueso

ocurriendo la separación de dos fracciones una fina (-10 mm) que se descarga a la

tolva TV-204, desde donde es posible transportarlo a la TV 203 a través de la correa

215-TR-213 - 4 y 5 y desde ahí al proceso de molienda, la fracción de mineral grueso

(+10 mm) se envía a las tolvas de retención 215-TV 302 y 303 de capacidad igual a

120 ton, desde donde es evacuado en camiones de 12 ton/h de capacidad hasta el

depósito de mineral de rechazo en la mina o presa de cola.

1.8- Sistema de limpieza de los gases de secaderos

El polvo que es barrido por los gases del interior de cada secadero es introducido en

un sistema de colección de polvo formado por dos baterías de 4 ciclones cada una

215-CN-101- 107 A,B,C,D, de eficiencia 73 % y diámetro 1 800 mm y por un

electrofiltro de 4 polos 215 EF 101 - 107 que trabaja con una tensión de 75 000 - 80

000 volts y eficiencia 99,6 %.

Esto significa que el 36 % del polvo arrastrado por los ventiladores de tiro de cada

secadero, el 73 % se quedará colectado con las tolvas de los ciclones y el 27 %

restante llegará a los electrofiltros, previo paso por una zona llamada (embudos

muertos) donde también se colectará cierta cantidad a merced de la caída brusca de

(32)

24

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

Estos embudos muertos y el electrofiltro poseen tolvas de almacenamiento de

mineral, el que es descargado en transportadores de paletas hundidas

215-TRP-101… 106 Y 215 TRP-107...114 de capacidad 20 t/h cada uno de los que llevará su

carga a otros transportadores similares, pero mayores 215 117 y 118, 215

TRP-115 A y B, 215 TRP–116 A y B, de capacidad 50 t/h.

Estos últimos descargarán su contenido en las tolvas de mineral 215-TV-108 A y B

los que alimentarán a las bombas de transporte neumático 215- BO-13-16, que son

las encargadas de conducir este polvo hacia las tolvas de producto final

(215-TV-205 A y B) de los molinos. La capacidad de estas bombas es 120 t/h cada una.

Los gases una vez limpios de polvo, son enviados a la atmósfera debido a la succión

que crea un ventilador (215-VE-108-114) colocado al final de cada filtro eléctrico

atravesando una chimenea (215-CH-101) de 120 m de altura. La capacidad del

ventilador es 279 000 - 249 000 m3/h. La concentración de polvo que debe salir a la

atmósfera debe ser de 200 mg/m3.

Conclusiones del capítulo ΙΙΙΙ

La literatura científica recoge numerosas investigaciones relacionadas con el

secado convencional en cilindros rotatorios horizontales. En ellas se abordan, la

modelación matemática y; fundamentalmente, el análisis termodinámico del

proceso para materiales con características diferentes al mineral laterítico.

Se han desarrollado diversas investigaciones del proceso de secado del mineral

laterítico, pero aún es insuficiente el número de trabajos que se destinan al

estudio y la integración de los principales parámetros de trabajo de los secadores

en las condiciones de explotación actuales, en las empresas cubanas productoras

(33)

25

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS PARA EL BALANCE

TERMOENERGÉTICO DEL PROCESO DE SECADO EN HORNOS CILÍNDRICOS ROTATORIOS.

2.1- Introducción

Los métodos de cálculos teóricos de un proceso de secado son fundamentales para

describir el comportamiento del mismo; en él se establecen los procedimientos que

describen el análisis de resultados experimentales aplicados sobre la evaluación de

un balance térmico y de masa, en los cuales la descripción de estos deben ser

comparados con los teóricos.

El objetivo de este capítulo es establecer la metodología para la evaluación de los

parámetros que caracterizan el proceso de secado.

Adquisición de los valores de los parámetros de trabajo.

Para la toma de los valores de los parámetros que indican el funcionamiento de la

instalación de secado se emplearon los medios que se encuentran en el panel de

control de la planta de preparación del mineral.

La empresa cuenta con un sistema de adquisición de datos denominado CITECT que

permite visualizar, graficar y controlar los parámetros que son de interés para el

proceso metalúrgico, en la Figura 2.2 se muestra una imagen con algunas de las

principales variables que son registradas por el sistema.

Para desarrollar el balance termoenergético de los secadores de mineral laterítico es

necesario el conocimiento y la medición de las principales variables que intervienen

en el proceso, algunas de ellas son:

Flujo de combustible en la entrada de la cámara de combustión, Fc,; [kg/s].

Flujo de mineral húmedo alimentado al secador, Fmh; [kg/s].

Flujo de aire para la combustión, Fac; [m3/s].

(34)

26

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

Tiempo trabajado por cada secador, Ht; [h].

Temperatura del aire ambiente, T0; [K].

Temperatura de entrada del combustible, To; [K].

Flujo de gases provenientes de la planta de hornos, Fgh; [m3/s].

Flujo de mineral seco que sale del secador, Fcs; [kg/s].

Temperatura de los gases a la salida del secadero, Tgpc; [K].

Temperatura del mineral seco, Tcs; [K].

Temperatura en la superficie exterior del secadero, Tsec; [K].

Las propiedades termofísicas de las diferentes sustancias de trabajo (aire, gases y

mineral laterítico) se seleccionaron de acuerdo con las recomendaciones expuestas

en la literatura consultada (Perry, 1985; Faires, 1991; Mijeeva y Mijeev, 1991; Page

et al., 1998; Incropera y De Witt, 1999, 2003).

(35)

27

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

2.2- Análisis del sistema de secado

El sistema objeto de estudio al cual se le realizará un balance de masa y energía,

que incluye las pérdidas de calor al medioambiente, está constituido por la cámara

de combustión (1), cámara de paso (2), tambor secador (3) y ventilador de tiro

inducido, según se muestra en la figura 2.2. Al sistema entra el combustible más el

aire para la combustión, ambos se suministran a la cámara a temperatura ambiente y

a través del quemador, también entra el aire para la dilución de la mezcla de gases

de la combustión, el cual entra a través de aberturas que posee la cámara. Luego los

gases pasan al secador donde extraen parte del agua (humedad) del mineral. Son

extraídos del sistema con ayuda del ventilador de tiro inducido y enviados al

medioambiente.

Figura 2.2. Esquema del sistema de secado de mineral

La representación de la instalación indica que la dirección del flujo de gases y el

mineral van en la misma dirección, definiendo que el proceso de secado se realiza en

isocorriente.

2.3- Balance de masa y energía

El balance de masa de un proceso industrial se hace con el objetivo de realizar una

(36)

28

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

intervalo de tiempo dado. El principio fundamental en que se basan los cálculos de

balance de materia, es establecer un número de ecuaciones independientes igual al

número de incógnitas.

La ecuación 2.1 establece el balance de energía para el objeto de estudio, y tiene en

cuenta todos calores que entran y salen del sistema.

PT cs va gs ch fa

c Q Q Q Q Q Q

Q + + = + + + (2.1)

donde:

c

Q

: Calor que aporta el combustible; kW

fa

Q

: Calor físico del aire; kW

ch

Q

: Calor aportado por el mineral húmedo; kW

gs

Q

: Calor de los gases a la salida del secador; kW

va

Q

: Calor sensible y latente de vaporización; kW

cs

Q

: Calor del mineral seco; kW

PT

Q : Calor total por pérdidas; kW

El calor aportado por el mineral húmedo se determina a través de la ecuación 2.2,

que depende de la productividad del secador y las propiedades termo- físicas

mineral.

ch pch ch

ch m C T

Q = ɺ ⋅ ⋅ (2.2)

donde:

ch

mɺ : Flujo de mineral húmedo que entra al sistema; kg/s

pch

C

: Calor específico del mineral húmedo; kJ/(kg)

ch

T

(37)

29

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

El calor que sale con el mineral húmedo se determina a través de la ecuación 2.3,

que depende principalmente de la temperatura de salida del secador y su humedad.

El calor específico del agua retenida se determina a la temperatura del mineral a la

salida.

(

cs pcs ar pa

)

cs

cs

m

C

m

C

T

Q

=

ɺ

+

ɺ

(2.3)

donde:

cs

m

ɺ

: Flujo mineral seco que sale del sistema; kg/s

ar

mɺ : Flujo de agua retenida en el mineral; kg/s

pcs

C

: Calor específico del mineral seco; kJ/(kg)

pa

C

: Calor específico del agua; kJ/(kg)

cs

T : Temperatura de salida del mineral; K

El flujo de agua retenida en el mineral se determina a través de la ecuación 2.4.

s cs

ar

m

W

m

ɺ

=

ɺ

(2.4)

donde:

s

W

: Humedad de salida del mineral; %

Para determinar el calor aportado por el combustible se tienen en cuenta el poder

calórico bajo del combustible y su calor físico según la ecuación 2.5.

t b fc

c Q Q

Q = + (2.5)

donde:

fc

Q

: Calor físico del combustible; kW

t b

(38)

30

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

El calor físico del combustible se determina a través de la ecuación 2.6.

c c c fc m C T

Q = ɺ ⋅ ⋅ (2.6)

donde:

c

mɺ : Flujo de combustible; kg/s

c

T

: Temperatura del combustible; K

c

C : Calor específico del combustible; kJ/(kgK)

El calor específico para combustibles líquidos Cc se determina según la ecuación

(2.7):

c

c T

C =1,783+0,0025⋅ (2.7)

Para determinar el poder calórico bajo del combustible se utiliza la ecuación 2.8

propuesta por Mendeleiev.

(

t t

)

t

t t

t

W S

O H

C

Qb =339⋅ +1030⋅ −109⋅ − −24⋅ (2.8)

donde:

t

Qb

: Poder calórico bajo del combustible; kJ/kg

t

C : Carbono de trabajo; %

t

H : Hidrógeno de trabajo; %

t

O : Oxígeno de trabajo; %

t

S : Azufre de trabajo; %

t

(39)

31

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

2.3-1. Cálculo de los volúmenes de la combustión

El volumen de aire teórico necesario para la combustión de un kilogramo de

combustible, se determina a través de la ecuación 2.9.

(

t t

)

t t

o

a , C , S , H , O

V =00889⋅ +0375⋅ +0265⋅ −00333⋅ (2.9)

El volumen total de gases triatómicos que resultan del proceso de combustión de un

kilogramo de combustible, se determina a través de la ecuación 2.10.

(

t t

)

RO C S

V =0,01866⋅ +0,375⋅

2 (2.10)

El volumen teórico de nitrógeno en los gases producto de la combustión de un

kilogramo de combustible, se determina a través de la ecuación 2.11.

t o

a o

N , V , N

V =079⋅ +0008⋅

2 (2.11)

El volumen teórico de los gases secos presentes en los gases producto de la

combustión de un kilogramo de combustible, se determina a través de la ecuación

2.12.

o N RO o

gs V V

V

2

2 +

= (2.12)

El volumen teórico de los vapores de agua producto de la reacción del hidrógeno del

combustible con el oxígeno, de la humedad del combustible y del vapor de agua

presente en el aire húmedo, se determina a través de la ecuación 2.13.

o a t t o O

H , H , W , V

V =0111⋅ +00124⋅ +00161⋅

2 (2.13)

El volumen teórico total de los gases producto de la combustión, se determina a

través de la ecuación 2.14.

o O H o gs o

g V V

V

2

+

(40)

32

Tesis en opción al Título de Ingeniero mecánico Autor: Dennis Durán Cruz

El volumen total real de gases tiene en cuenta el coeficiente de exceso de aire y se

determina a través de la ecuación 2.15.

(

)

o

a o

g

g V V

V = + α −1 ⋅ (2.15)

donde:

α

: Coeficiente de exceso de aire

El volumen real de aire se determina a través de la ecuación 2.16.

α ⋅

= o

a

V

Va (2.16)

El flujo de aire para la combustión se determina a través de la ecuación 2.17.

comb aire a

ac V m

mɺ = ⋅

ρ

ɺ (2.17)

donde:

ac

mɺ

: Flujo de aire para la combustión; kg/s

aire

ρ

: Densidad del aire; kg/m3

comb

mɺ

: Flujo de combustible; kg/s

El flujo de gases producto de la combustión se determina a través de la ecuación

2.18.

comb gc g

gc V m

mɺ = ⋅ρ ⋅ ɺ

(2.18)

donde:

gc

mɺ

: Flujo de gases producto de la combustión; kg/s

aire

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...